大學(xué)物理-第三章-1-楊氏雙縫干涉省名師優(yōu)質(zhì)課賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

11.若入射波表示式為：y1=Acos2

(t/T+x/

)，在x=-

/3

處發(fā)生反射后形成駐波，反射點(diǎn)為波腹，設(shè)反射波強(qiáng)度不變，求：(1)反射波表示式y(tǒng)2

；(2)在x=2

/3

處質(zhì)點(diǎn)合振動(dòng)振幅。解:(1)入射波:在處振動(dòng)表示式:在處反射,是波腹,在此處振動(dòng)相位沒有突變,則振動(dòng)表示式:第1頁反射波函數(shù)求解則反射波:解:(2)入射波:反射波:入射波與反射波疊加，合成波函數(shù)為在處合振幅:第2頁

§3.2光源、單色光與相干光

一．光源二．單色光三．相干光三．相干光取得

§3.1“分波前法”取得相干光——雙縫干涉

一.楊氏雙縫試驗(yàn)二.強(qiáng)度分布規(guī)律§3.5光程與光程差

一．光程二．透鏡等光程性作業(yè)：3.2、3.6、3.7、3.16第三章光干涉第3頁光干涉光學(xué)是一門既古老又年輕學(xué)科古老是指人類在很早就開始研究光現(xiàn)象，年輕是因?yàn)楣鈱W(xué)依然是前沿學(xué)科，依據(jù)光學(xué)原剪發(fā)展新技術(shù)依然層出不窮，尤其是二十世紀(jì)六十年代激光器創(chuàng)造。第4頁從光學(xué)歷史發(fā)展及研究內(nèi)容，光學(xué)劃分為幾何光學(xué)：以光直線傳輸規(guī)律為基礎(chǔ)研究反射、折射、散射及研究各種光學(xué)儀器理論。波動(dòng)光學(xué)：以光波動(dòng)性為基礎(chǔ)研究光傳輸規(guī)律，尤其是光干涉、衍射及偏振規(guī)律。量子光學(xué)：以光粒子性及近代量子理論為基礎(chǔ)研究光與物質(zhì)相互作用規(guī)律。第三章波動(dòng)光學(xué)第5頁§3.2光源、單色光與相干光一．可見光與光源可見光光是電磁波，通常意義上光是指可見光，即能引發(fā)人視覺電磁波，它頻率范圍3.9×1014Hz——8.6×1014Hz真空中波長范圍350nm——760nm不一樣頻率光給人以不一樣顏色感覺赤橙黃綠青藍(lán)紫頻率由小到大，波長由大到小第6頁光源本身能發(fā)光物體普通光源太陽、燈管等，發(fā)光方式有熱致發(fā)光，電致發(fā)光，光致發(fā)光都屬于自發(fā)輻射，非相干光源激光器屬于受激輻射，相干光源第7頁二.光單色性單色光與復(fù)色光只含有一個(gè)頻率光——單色光含有各種頻率光——復(fù)色光準(zhǔn)單色光：頻率很靠近復(fù)色光如鈉燈發(fā)出光波長范圍在589.0nm～589.6nm取得單色光方法普通光源發(fā)出光普通都是復(fù)色光,三棱鏡濾光片激光器件第8頁三棱鏡濾光片當(dāng)復(fù)色光經(jīng)過三棱鏡時(shí)，因?yàn)椴灰粯宇l率光在玻璃中傳輸速度各不相同，折射率也不一樣，所以復(fù)色光中各種不一樣頻率光將按不一樣折射角分開，這種現(xiàn)象稱為色散。經(jīng)過這種方式，將復(fù)色光分成一束束單色光。只允許某一頻率光經(jīng)過，對(duì)其它顏色光吸收當(dāng)復(fù)色光經(jīng)過濾光片后，透射光就是所需要單色光。第9頁三.光相干性光既然是電磁波，就會(huì)含有波動(dòng)普通特征，在上一章中曾指出，波一個(gè)主要特征是產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，即:兩列或幾列波疊加時(shí)能產(chǎn)生強(qiáng)度在空間穩(wěn)定分布現(xiàn)象。光干涉現(xiàn)象：當(dāng)兩列相干光相遇時(shí)，在相遇空間出現(xiàn)明暗穩(wěn)定分布現(xiàn)象。有干涉條件？第10頁第11頁光既然能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，為何通慣用兩個(gè)燈管照明，不會(huì)發(fā)生光強(qiáng)弱穩(wěn)定分布呢？不但如此，在試驗(yàn)室內(nèi)，使兩個(gè)單色光源（比如兩個(gè)鈉光燈光源）發(fā)光相遇，也還是觀察不到有明暗穩(wěn)定分布干涉現(xiàn)象，為何呢？這要從光源發(fā)光機(jī)理說起。第12頁原子發(fā)光機(jī)理光源發(fā)光是光源中大量分子或原子進(jìn)行微觀過程，最基本發(fā)光單元是分子、原子。原子物理告訴：原子是由原子核和核外電子組成，電子繞核運(yùn)動(dòng)，但電子能量是不連續(xù)，電子處于一些分立能量狀態(tài)，這些能量稱為能級(jí)，如氫原子能級(jí)圖第13頁能量最低狀態(tài)稱作基態(tài)，其它能量較高狀態(tài)稱作激發(fā)態(tài)。普通情況下，原子處于低能級(jí)激發(fā)態(tài)或基態(tài)，因?yàn)橥饨缂?lì)，如原子碰撞，外界輻射等，使得原子處于較高能級(jí)激發(fā)態(tài)。●●●●●●處于激發(fā)態(tài)原子是不穩(wěn)定，它會(huì)自發(fā)地回到低能級(jí)激發(fā)態(tài)或基態(tài)，這一過程稱作電子躍遷第14頁●●●●在躍遷過程中，電子向外發(fā)射電磁波，這一電磁波所攜帶能量就是電子降低能量。當(dāng)發(fā)射電磁波波長在可見光范圍內(nèi)，就是原子發(fā)光過程——這就是原子發(fā)光機(jī)理這一躍遷過程所經(jīng)歷時(shí)間是很短，約為10－8秒，●●第15頁●●●●由上面敘述，原子每一次發(fā)光所連續(xù)時(shí)間，是有限而且很短，同時(shí)所發(fā)射電磁波能量也是有限，兩個(gè)能級(jí)之差，所以一個(gè)原子每一次發(fā)光就只能發(fā)出一段長度有限，頻率一定和振動(dòng)方向一定光波這么一段光波稱作一個(gè)波列波列波列長L=

c第16頁一個(gè)原子經(jīng)過一次發(fā)光躍遷后，還能夠再次被激發(fā)到較高能級(jí)，因而又能夠再次發(fā)光，所以原子發(fā)光都是斷續(xù)。上面討論是一個(gè)原子發(fā)光?！瘛瘛瘛癫胁虚LL=

c第17頁獨(dú)立(不一樣原子發(fā)光)··對(duì)于普通光源，光源內(nèi)有非常多原子，這些原子發(fā)光遠(yuǎn)不是同時(shí)，這是因?yàn)樵谶@些光源內(nèi)原子處于激發(fā)態(tài)時(shí)，它向低能級(jí)躍遷完全是自發(fā)，各原子各次發(fā)光完全是獨(dú)立，互不相關(guān)。它們每次何時(shí)發(fā)光是完全不確定。普通光源也就是各個(gè)原子各次發(fā)光，發(fā)光頻率、振動(dòng)方向、彼此位相差是不確定，出現(xiàn)干涉現(xiàn)象概率太小了。第18頁獨(dú)立(同一原子先后發(fā)光)獨(dú)立(不一樣原子發(fā)光)··普通光源即使同一原子不一樣次發(fā)光，也不能確保這些波列頻率，振動(dòng)方向都相同，而且相位差也不可能保持恒定，所以，也就不可能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。第19頁因?yàn)樵影l(fā)光含有上述特征，所以在光干涉現(xiàn)象研究，從實(shí)際到理論，取得相干光就成了最主要問題.本章內(nèi)容，除了利用干涉普通原理對(duì)光干涉現(xiàn)象進(jìn)行分析外，主要就是說明取得相干光原理和實(shí)際裝置第20頁光干涉強(qiáng)度分布規(guī)律光波是電磁波，傳輸著是交變電磁場，即場矢量E和H傳輸。在這兩個(gè)矢量中，對(duì)人眼睛或感光儀器（如攝影底版、熱電偶）等起作用主要是電場矢量E，所以，以后提到光波中振動(dòng)矢量時(shí)，用E矢量來表示，稱為光矢量或稱電矢量。第21頁p···12r1r2

1

2

E0E10E20設(shè)兩個(gè)同頻率單色光在空間某一點(diǎn)P光矢量分別為P點(diǎn)合振動(dòng)光矢量考慮兩個(gè)光矢量是同方向情況，合成光矢量由旋轉(zhuǎn)矢量圖第22頁光波強(qiáng)度與光矢量振幅成正比p···12r1r2第23頁非相干光源I=I1

+I2

完全相干光源

▲相長干涉（明）

(k=0,1,2,3…)▲相消干涉（暗）

(k=0,1,2,3…)—非相干疊加，強(qiáng)度分布均勻第24頁o

2

-2

4

-4

I光強(qiáng)I隨相位差Δφ改變情況如圖：第25頁相干光取得普通光源利用普通光源取得相干光方法基本原理是：把由光源同一點(diǎn)發(fā)出光設(shè)法分成兩部分，然后再使這兩部分疊加起來。因?yàn)檫@兩部分光實(shí)際上都來自同一發(fā)光原子同一次發(fā)光，所以它們將滿足相干條件而成為相干光。把同一光源發(fā)出光分成兩部分方法有兩種分波陣面法分振幅法第26頁基本思想：PS

*·P薄膜S*分波面法將同一光源同一次發(fā)出波列分為兩束光，分別經(jīng)過不一樣路徑后，再令其疊加，則它們自然滿足相干條件，從而得到相干光。分振幅法激光器激光含有非常好相干性，相干光源第27頁§3.1“分波陣面法”取得相干光——楊氏雙縫干涉試驗(yàn)一.楊氏雙縫試驗(yàn)英國物理學(xué)家托馬斯．楊(T．Young)在1801年首先用試驗(yàn)方法研究了光干涉現(xiàn)象，為光波動(dòng)理論確定了試驗(yàn)基礎(chǔ)。第28頁試驗(yàn)裝置如圖，在普通單色光源后放平行放置兩個(gè)屏，S1S2SE靠近光源屏上開一長狹縫S，相當(dāng)于一線光源，在另外一個(gè)屏上開兩個(gè)與S都平行長狹縫S1和S2，雙縫距離很小，在雙縫后放置一屏幕E第29頁S1S2SE試驗(yàn)現(xiàn)象當(dāng)光源照射狹縫S時(shí)，在屏幕E上出現(xiàn)一系列穩(wěn)定明暗相間條紋，這些條紋都與狹縫平行，條紋間距離彼此相等.

第30頁●試驗(yàn)解釋當(dāng)一束單色光照射狹縫S時(shí)，經(jīng)過S形成一個(gè)柱面光波，然后入射到狹縫S1和S2處，光經(jīng)過S1和S2，又形成兩個(gè)柱面光波并在空間交疊起來。第31頁●試驗(yàn)解釋因?yàn)楠M縫S1和S2彼此平行，靠又很近，S1和S2位于S發(fā)出光波同一個(gè)波陣面上，由S1和S2射出光束來自同一光波波陣面不一樣部分，所以它們含有相同頻率。第32頁盡管從S陸續(xù)射出光波列，因?yàn)閬碜圆灰粯釉影l(fā)光或同一原子不一樣次發(fā)光使得光波列相位是不停改變，不過任何改變都同時(shí)發(fā)生在S1和S2處，所以S1和S2射出光波間相位差一直保持不變。由S1和S2射出光波含有相同頻率，相位差關(guān)系怎樣？●試驗(yàn)解釋第33頁因?yàn)楠M縫S1和S2靠近二者連線中垂線兩側(cè)附近，由S1和S2射出光波光振動(dòng)方向也近于平行。所以從由S1和S2射出兩列光波是相干光。由S1和S2射出光波含有相同頻率，相位差恒定，振動(dòng)方向關(guān)系怎樣？因?yàn)镾1和S2是同一波陣面兩部分，所以這種取得相干光方法稱作分波陣面法?！裨囼?yàn)解釋第34頁所以從S1和S2射出兩列光波在空間相遇時(shí)要發(fā)生干涉現(xiàn)象，屏幕上展現(xiàn)出平行于雙縫明暗相間條紋。由S1和S2射出光波含有相同頻率，相位差恒定，振動(dòng)方向平行。為相干光。下面利用干涉原理來分析楊氏雙縫干涉試驗(yàn)中光強(qiáng)度分布。這一分布是在屏上以各處明暗不一樣形式顯示出來?！裨囼?yàn)解釋第35頁二.強(qiáng)度分布規(guī)律●●考慮屏幕上任一點(diǎn)P，到狹縫S1和S2距離分別為r1和r2在圖示裝置中，狹縫S1和S2處于同一個(gè)波陣面上，所以S1和S2為同相相干波源，在P點(diǎn)處波強(qiáng)度就僅由從S1和S2到P點(diǎn)波程差決定第36頁二.強(qiáng)度分布規(guī)律設(shè)S1和S2距離為d，中點(diǎn)為M，

PM與MO夾角為θ，從S1做M

P垂線S1C。通常情況下，D＞＞d，

θ很小，●●M到屏幕距離為D，垂足為o

，以o為坐標(biāo)原點(diǎn)，P點(diǎn)坐標(biāo)為x第37頁●●二.強(qiáng)度分布規(guī)律通常情況下，

D＞＞d，

θ很小第38頁二.強(qiáng)度分布規(guī)律干涉相長（明紋）條件條紋中央為明紋，稱為零級(jí)明紋或中央明紋●●第39頁二.強(qiáng)度分布規(guī)律干涉相消（暗紋）條件●●第40頁IO0明紋●●暗紋明紋第41頁暗紋明紋討論條紋間距兩相鄰明紋或暗紋間距與波長成正比當(dāng)單色光照射時(shí)，為明暗相間條紋當(dāng)白光照射時(shí)，為彩色條紋，中央仍為白色條紋而且隨級(jí)次增高，不一樣顏色條紋發(fā)生重合，以致含糊不清第42頁白光照出彩條。當(dāng)單色光照射時(shí)，為明暗相間條紋當(dāng)白光照射時(shí)，為彩色條紋，中央仍為白色條紋而且隨級(jí)次增高，不一樣顏色條紋發(fā)生重合，以致含糊不清第43頁雙面鏡干涉暗點(diǎn)（半波損失）

洛埃鏡干涉其它分波面干涉試驗(yàn)(自學(xué))第44頁在上述雙縫試驗(yàn)中，在S2前加一塊玻璃，試驗(yàn)發(fā)覺屏幕上明暗條紋位置要發(fā)生移動(dòng)，說明兩光振動(dòng)在P點(diǎn)相位差發(fā)生了改變，為何呢？●●問題？t第45頁因?yàn)閺腟2幕上發(fā)出光在玻璃中要發(fā)生折射，光從S2到P點(diǎn)走旅程不等于r2使得從S1和S2到P點(diǎn)波程差不再等于相位差不再是●●問題？t第46頁●●問題？t第47頁§3.5光程與光程差為了計(jì)算光經(jīng)過不一樣媒質(zhì)時(shí)引發(fā)相位差，引入了光程概念一．光程與光程差光在媒質(zhì)中傳輸時(shí)，光振動(dòng)相位沿傳輸方向逐點(diǎn)落后，●●以表示光在媒質(zhì)中波長，則經(jīng)過旅程時(shí)，光振動(dòng)相位落后值光程第48頁同一頻率光在不一樣媒質(zhì)中傳輸時(shí)波長不一樣，以表示光在真空中波長，為媒質(zhì)折射率代入上式從右式來看，表示光在真空中傳輸旅程時(shí)所引發(fā)相位差，是光在媒質(zhì)中則經(jīng)過旅程時(shí)，所引發(fā)相位差第49頁

n21稱為第二種介質(zhì)對(duì)第一個(gè)介質(zhì)相對(duì)折射率波折射定律對(duì)于光波介質(zhì)1為真空由上式有稱作第二種介質(zhì)折射率第50頁由此可知，同一頻率光在折射率為n媒質(zhì)中傳輸時(shí)，經(jīng)過旅程r時(shí)引發(fā)相位差和光在真空中傳輸，經(jīng)過旅程nr時(shí)所引發(fā)位相差相同。